一种集发电、数据采集、自动控制功能于一体的智能减压阀及控制方法与流程

本发明涉及阀门领域，更具体地，涉及集发电、数据采集、自动控制功能于一体的智能减压阀及控制方法。

背景技术：

目前，全球资源紧缺，水资源、气体源等各种能源都处在紧缺状态，针对水资源来说，智慧水务的理念应运而生，怎样来进行节水，实现有效的漏损控制，其中美国和意大利先后提出了一些先进的带流量检测功能的压力阀门，它们可将漏损控制得尽量小，但其流量检测装置需外接电源或电池，依赖于外界供电，且其仅需对流量参数进行检测，耗电量小。然而智慧水务远不只局限于漏损控制，还需要对水质等各项参数进行测定，以便对阀内流通的水作全面评价，因此需要加入多种类型的检测仪器，此时简单设置的外接电源或电池已无法充分驱使各类检测仪器的同时运作，如为达到全面供电的效果，则需对外接电源或电池进行复杂设计，这样一来工程量大，成本高，后期维护麻烦。

现有技术中也已有水流发电的相关案例，但其仅是水流发电与阀门的结合，并未涉及到检测模块，即现有技术中尚不存在利用水流发电的电能为检测模块供电的案例。同时现有技术的水流发电技术主要是利用流体作用力直接推动涡轮旋转，现有技术也有采用球型的转轮的，从而带动电磁感应发电机进行发电，但其涡轮并未具体针对水流的过流量进行相关设计，即水流量大时，将对涡轮产生较大冲击，有可能导致涡轮损坏，同时因水流量的不均匀，在流经涡轮时，电磁感应发电机发电不稳定，将直接影响其充电电池的使用寿命。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种能够无需外接电源、自动进行阀体内数据检测并根据检测结果进行自我闭环控制的集发电、数据采集、自动控制功能于一体的智能减压阀。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

提供一种集发电、数据采集、自动控制功能于一体的智能减压阀，包括减压阀阀体，阀体设有控制阀体开度的执行器，还包括发电装置、数据采集组件、数据处理装置和显示终端；

所述发电装置用于为数据采集组件、数据处理装置以及阀门的执行器提供工作电源，包括垂直于流体流向设置的发电组件和设于阀体外部的电池组件；所述发电组件包括发电机组和转轮，所述转轮通过转轴与发电机组的转子连接；所述转轮包括叶片、上底座和下底座，所述叶片的两端部通过上底座和下底座与转轴固定连接,上底座和下底座与同一叶片的两个连接位置不在同一垂线上；所述叶片均匀地分布在转轴周围；

所述数据采集组件设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后，用于实时采集阀体内介质参数并将参数传输至数据处理装置和显示终端；所述数据处理装置根据数据采集组件提供的实时参数来对执行器进行相应操作。

本发明的智能减压阀通过自身的发电装置进行发电，为自身的用电元件提供电能，无需额外电源。本发明相对于一般的带有球型转轮发电装置，其叶片位置的设置，相当于叶片对称的转轮进了一定角度的扭转，导致上、下、左、右半球均不对称。由于其叶片的特殊设计，流体能够更加全面地接触叶片，提高流体的利用率，提高发电效率。在流体流量减小或流速降低的情况下，相对于现有技术，本发明能够降低主轴速度减小的速度，从而缓解发电不稳定的情况。并且通过设置在阀体各部位的不同数据采集组件对阀体内流通的流体进行各种数据采集和检测，并将采集和检测的数据传送至数据处理装置，并通过显示终端显示。数据处理装置根据反馈的数据情况对阀门进行闭环控制。

进一步地，所述叶片的横截面为类三角形，类三角形的三个顶角为圆角，所述类三角形的一个顶角朝转轮径向外侧延伸，朝转轮外侧延伸的顶角所对应的底边朝三角形内凹；其他两边朝三角形外凸。

所述上底座的叶片连接点与下底座的叶片连接点一一对应，两个对应的连接点位于同一垂线上；同一叶片的一端与上底座的一个连接点连接，另一端连接其对应的下底座连接点的相邻连接点上。

进一步地，还包括可支撑发电组件相对于固定轴轴线方向垂直摆动的摆动机构；所述固定轴固定在一个支撑座上，所述固定轴设置的方向为可使发电组件摆动到最低位置时与流体流动方向垂直。一般而言，当流体流量增大或流速变大时，流体对叶片的冲击力变大，导致主轴转速突然变大，导致发电不稳定。而本发明的发电装置，当流体流量增大或流速变大，流体将推动发电装置随摆动机构沿固定轴轴线方向垂直摆动，使得发电装置从与水流垂直位置摆动到与原位置形成一个倾角，流体的推力越大，倾角随之变大。这就使得部分流体从倾角的间隙处流出，流经发电装置的流量减小；并且流经发电装置的流体对发电装置的作用力不再垂直于发电装置，而是作用力的一个分力对发电装置做有用功。因此，叶片受到流体的作用力减小，主轴转速增加的速度减小。当流体流量变小或流速变小时，随着流体的作用力减小，发电装置逐渐从倾角位置恢复到原位置，同理，从倾角间隙流失的流体减小，未流失的流体对叶片有效作用力逐渐增大，如此，减小了流体流量变小或流速变小对发电装置转轴转速减小的速度。本发明发电装置能有效缓解流体流量变化或流速变化对发电稳定性的影响。

进一步地，所述摆动机构包括一端套设与固定轴上、另一端与发电机组固定连接的摆杆，还包括对发电组件的摆动过程进行限制的回力弹簧，所述回力弹簧连接在固定轴上。

优选地，所述回力弹簧为扭力弹簧、拉力弹簧、压缩弹簧、弯曲弹簧的一种。本发明巧妙地利用弹簧弹力的特性，使得发电组件的位置能随流体的作用力自行适应性地变化，进而改变转轮受到的流体作用力大小，导致转轴转速变化，最终实现发电装置能适应水流变化实现稳定发电的目的。

进一步地，所述电池组件包括依次连接的整流模块、滤波模块、变压模块和充电电池。发电机组输送的电能经过整流、滤波、变压处理后通过充电电池传送至给阀门的用电元件进行供电。

进一步地，数据采集组件包括温度传感器、流量计量装置、水质传感器、压力传感器的一种或几种。能对阀门内的各种数据进行采集和检测。

进一步地，所述数据处理装置包括plc控制模块，plc控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。

本发明的另一目的在于同一种应用了上述集发电、数据采集、控制功能于一体的智能减压阀的控制方法，所述减压阀包括分布设置于阀前和阀后的压力传感器，包括以下步骤：

s1.使介质进入减压阀阀体，介质流经发电装置过程中，发电装置的发电机组进行发电并对电池组件充电，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源；

s2.数据采集元件采集相应数据并将其传输至数据处理装置和显示终端；

s3.根据s2步骤中的数据显示情况作出对执行器的相关操作，从而控制阀体的开闭和开度情况；

s4.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将介质相关参数通过nb-iot的方式传输给操作者。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明创造性地将阀门、数据采集和发电三种独立的功能性装置整合在一起，即使本发明的减压阀在具有数据采集功能的同时，还可利用减压阀内流通介质自身的动能进行发电，为数据采集组件以及减压阀的执行器提供工作电源，实现了所述多功能减压阀电能的自给自足，无需外接电源；

2）数据采集组件在采集到相关参数后传输至数据处理装置，并最终由数据处理装置控制减压阀执行器的相关动作，实现了本发明的多功能阀的全自动反馈控制，自动调节压力等相关参数，无需人工参与；

3）发电装置中摆动机构的设置，为发电组件的摆动提供有效支撑，稳定转轮的介质流通量，使发电机组发电均匀；

4）由摆杆和扭力弹簧等部件构成的摆动机构，摆杆具有灵活转动特性，同时利用扭力弹簧的优良弹性性能，在发电机组发生倾斜时，一方面避免发电组件的无限制倾斜，另一方面在介质流速降低时，使发电组件发生快速快速回弹，使之与介质流速相适应，从而实现稳定电流的效果；

5）通过对转轮形状，叶片形状、位置的设计，提高了阀门的发电装置对流体流速变化的适应性，发电效果稳定；

6）导流座的设置，使阀前的流通介质集中输送至发电装置，可有效提高发电装置的发电效率，避免介质流速较低时，大量介质从发电装置的组件外壳外通过，导致通过转轮的介质压力过小；

7）因发电装置发电形成的电能自给自足优势，本发明的减压阀可相应设置多种数据采集元件，如温度传感器、流量数据采集装置和水质传感器等，可采集介质的各种参数，为用户提供大量参考数据。

附图说明

图1为实施例1的t型智能减压阀的结构示意图。

图2为实施例1的发电组件结构示意图。

图3为叶片横截面为类三角形的结构示意图。

图4为实施例1的t型智能减压阀的执行器控制连接示意图。

图5为实施例2的y型智能减压阀的结构示意图。

图6为实施例2的y型智能减压阀的剖面结构示意图。

图7为实施例2的发电装置的结构示意图。

图8为实施例3的发电组件结构示意图。

图9为实施例4的发电组件结构示意图。

图10为本阀门的电气连接结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种集发电、数据采集、控制功能于一体的智能减压阀。本实施例以t型减压阀为例。智能减压阀包括减压阀阀体33，发电装置32、数据采集组件、数据处理装置和显示终端。

数据采集组件包括流量计、压力传感器、水质传感器；具体实施过程中，根据具体需求，如采集阀体的开度、流体的温度等，还可以采用其他类型的数据采集组件。本实施例中流量计采用能够计量管网的用量，同时具有温度补偿功能的超声波流量计31，超声波流量计31通过三通管设置在智能减压阀阀体前部。压力传感器在减压阀阀体33的阀前和阀后各设置一个，水质传感器设置在减压阀阀体33内部。

发电装置32包括垂直于管道流体方向设置的发电组件和设于阀体外部的电池组件；如图所示，为了尽量减小减压阀的体积，发电装置32设置在超声波流量计31和t型减压阀t型分管道之间。

如图2所示，发电组件包括发电机组1、转轮2；发电机组1设置在阀体外部，利于后续维护；转轮2设置在阀体内部，转轮2通过转轴3与发电机组1的转子连接。转轴3的高度与减压阀阀体33入水口处管道高度相近，使得转轮2刚好充满管道的径向界面，在转动灵活的同时得以充分与流体接触。转轮2包括叶片、上底座4和下底座5；叶片的两端部通过上底座4和下底座5与转轴3固定连接,上底座4和下底座5与同一叶片的两个连接位置不在同一垂线上；叶片均匀地分布在转轴3周围。

如图3所示，叶片的横截面为类三角形。类三角形的三个顶角为圆角，朝转轮外延伸的顶角21所对应的底边23朝三角形内凹；顶角21的邻边22以及另一邻边均朝三角形外凸。叶片的个数根据具体应用场合的不同具体设定。上底座叶片连接点与下底座叶片连接点一一对应，两个对应的连接点位于同一垂线上；同一叶片的一端与上底座的一个连接点连接，另一端与其对应的下底座连接点的相邻连接点上。

如图10所示，电池组件包括依次连接的整流模块、滤波模块、变压模块和充电电池。

如图4所示，本智能减压阀设有控制阀体开度的执行器，包括两个二位二通电磁阀，上腔电磁阀25和阀后电磁阀26分别控制t型智能减压阀的控制腔的入水口和出水口的管道开闭。两个电磁阀均与数据处理装置连接。

数据处理装置包括plc控制模块，plc控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。显示终端为远程上位机的显示屏，也可以为设置在阀门附近的触摸显示屏，根据具体情况进行设置。

本实施例智能减压阀的控制方法包括以下步骤：

s1.使介质进入t型智能减压阀阀体，介质流经发电装置过程中，发电装置的发电机组进行发电并对电池组件充电，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源。

管道中的流体流经减压阀，流动的流体带动转轮2的叶片转动，叶片带动主轴3的转动使得与其相连的发电机组1的转子旋转，从而使发电机组发电。发电机组输出的三相电流输送至电池组件，经过整流模块将交流电变成直流电，并通过滤波模块对电流去除干扰、纯化电源，然后通过变压模块，根据用电元件的需求，变压模块为降压模块或升压模块，进行降压处理或升压处理以实现满足后续所需工作电源的大小。经过处理后的三相电流输入到充电电池为其充电。充电电池为数据采集组件、数据处理装置以及减压阀执行器提供电源。

s2.数据采集元件采集相应数据并将其传输至数据处理装置和显示终端。

得电后的数据采集元件开始工作。设置在阀前和阀后的压力传感器分别采集阀体阀前和阀后压力值，超声波流量计31采集流入阀体的流体流量，水质传感器采集阀体内流体的水质。

plc控制模块接收超声波数据采集装置的阀体入口流量信号、两个压力传感器的水压变化信号、水质传感器的水质信号，并通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。

s3.根据s2步骤中的数据显示情况作出对执行器的相关操作，从而控制阀体的开闭和开度情况。

plc控制模块通过将采集的压力信号与预设的压力阈值相比较，控制电磁阀进行相应动作。向上腔电磁阀25发出指令时，系统压力进入控制腔上部，压力增加促使主阀趋于关闭，通过压力传感器将实时压力反馈给plc控制模块。plc控制模块向阀后电磁阀26发指令时，系统压力从出口处排出，主阀趋于打开。通过控制阀门的开启和关闭的速度，最终达到阀后恒压输出。

s4.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将介质相关参数通过nb-iot的方式传输给操作者。

plc控制模块可以通过采集压力传感器、流量计、温度传感器、水质、阀门开度等数据实现阀门及管道远程数据采集和处理，统计分析、实时控制、事故报警，数据通信、设备管理等。

操作者可通过上位机的显示屏进行数据查看参数，如当前阀体的压力、阀体流量、流体温度以及水质等。并可通过上位机进行参数设定，如对plc控制模块进行压力阈值或温度阈值等进行设定。如此实时监控阀门运行状态。

实施例2

如图5、图6、图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例智能减压阀为y型智能减压阀；发电装置32还包括摆动机构；发电组件设置在减压阀阀体内部，与流体方向垂直。减压阀入口处设有对流体进行导流的导流座13，导流座外周与阀体内壁螺栓连接，导流座内设有一段圆锥形导流面和一段圆柱形导流面，介质依次流经圆锥形导流面、圆柱形导流面和发电组件，所述圆柱形导流面的口径与转轮大小相适配。

如图7所示，发电组件9置于管道内部，还包括可支撑发电组件9相对于固定轴11轴线方向垂直摆动的摆动机构；固定轴11固定在一个支撑座上，本实施例中支撑座与减压阀壳体固定连接；固定轴11设置的方向为可使发电组件9摆动到最低位置时与流体流动方向垂直。

摆动机构包括一端套设于固定轴11上、另一端与发电机组固定连接的摆杆10，以及限定发电机组的摆动位置的回力弹簧12，所述回力弹簧12连接在固定轴11上。

管道中的流体经过减压阀9阀前设有的导流座13导流，流经发电组件9。当流体流速过大，当流体对发电机组的叶片的作用力大于回力弹簧12的回弹力时，流体推动发电组件9随摆杆10沿固定轴11转动，转轮2与管道径向形成倾角，部分流体从转轮与减压阀壳体14的之间的间隙流过，流经转轮2的流体相应减少，并且流经转轮叶片的流体的推力与叶片的角度发生变化使得叶片受力相应减小，进一步减小叶片的转速。发电组件9产生的电流不因流体流速的增大而突变。

当流体流速变小，流体对转轮的叶片的作用力小于回力弹簧12的回弹力时，发电组件9通过回力弹簧12的回弹力，随摆杆10沿固定轴11转动，从倾角位置回到垂直位置。随着发电组件9与减压阀14的间隙逐渐减小，流体从中的流失量减少，相应地，流经转轮叶片的流体变多，且流经发转轮叶片的流体的推力与叶片的角度发生变化使得叶片受力相应增大，进一步增大叶片的转速。发电组件9产生的电流不因流体流速的减小而突变。

最终发电组件9产生的电流不因流体流速的突变而突变，从而实现稳定电流的效果。本实施例的智能减压阀自发电效果稳定。

本智能减压阀通过控制腔35的的体积变化而控制减压阀的开启度，来达到保证管网下游压力的稳定，此结构可以通过导阀利用介质自身稳定管网下游压力，又可以通过阀前阀后设置的压力传感器与plc控制模块来稳定管网下游压力；减压元件34为阀瓣+导流套式结构，介质通过时压力发生变化而达到管网下游压力的效果。

实施例3

如图8所示，本实施例与实施例1或实施例2的不同之处在于，转轮2内部设有小转轮8；小转轮8与转轮2结构一致；小转轮8的叶片与转轮2叶片位置交错设置。小转轮的材料可以选择轻质的材料，以达到发电组件的轻量化。

当流体流量一定、流速正常时，小转轮和大转轮在流体的冲击下进行旋转，从而带动转轴3转动，相较于实施例1和实施例2主轴3的旋转，实施例2通过增加小转轮增加了与流体的接触面从而增加流体对叶片的推力，增加主轴3旋转速度。当流体流量减少、流速减小时，其小转轮8由于其叶片与转轮2的叶片交错设置，流过转轮2的水流会从小转轮流过，提高了水流的利用率，降低了流速过低时对流速发电装置的影响。相对于其他一般的发电装置，本实施例的发电装置能降低流体流量减少或流速减小对发电影响的程度，以及影响的速度。

本实施例由于巧妙地将小转轮置于大转轮内部，既能解决流速变小时导致发电不稳定的问题，又能尽可能保证发电装置的体积不会因此而必须增大。

实施例4

如图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于发电组件。叶片和转轴3之间设有活动片7；活动片7通过横设在叶片与转轴之间的横轴连接在叶片和转轴之间，横轴上固定设有扭力弹簧6，扭力弹簧6与活动片连接。

当流体流量一定、流速正常时，通过活动片7增加与流体的接触面从而增加流体对主轴的推力，增加主轴旋转速度。活动片本身沿横轴摆动的同时，还随叶片带动主轴的转动而公转。

当流体流量增大或流速变快时，流体叶片的推力变大，当推力大于活动片上的扭力弹簧6的回弹力时，活动片7被推动从与水流方向垂直位置到与垂直位置成一定倾角，使得原本去推动活动片7的流体部分从倾角间隙流出，从而降低流体对叶片的推力，降低主轴3旋转速度的加速度，从而降低流体流量增大或流速变快对发电稳定性的负面影响。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。